Transparente Betriebskosten in der Handhabung
Pneumatisch, mechanisch oder elektromechanisch arbeitende Handhabungslösungen sollen künftig hinsichtlich ihrer Effizienz vergleichbarer werden. Ein neuer Fachausschuss der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) unter Vorsitz von Prof. Dr. Markus Lauzi von der Fachhochschule Bingen, wurde dazu gegründet. Auf der SPS/IPC/Drives vom 22. bis 24. November wurde deutlich, was dahinter steckt.
Maschinen- und Anlagenbauer stehen im Bereich der Handhabungs- und Montagetechnik immer vor dem Dilemma, sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten niedrig zu halten. Pneumatisch gesteuerte Handhabungstechnik wird dabei oft dort eingesetzt, wo es weniger auf schnelle Bewegung und hohe Taktraten ankommt und wo leichtere Teile wie Schokoladentafeln zu bewegen sind. „Antriebstechnik soll Lösungen für komplexe Bewegungsaufgaben liefern – und deshalb müssen mehrere Alternativen betrachtet werden“, erklärte Prof. Markus Lauzi in einer Podiumsdiskussion auf der SPS/IPC/Drives in Nürnberg. Elektrische Achsen seien energetisch betrachtet bis zu zwanzigfach effizienter, allerdings auch in der Anschaffung deutlich teurer und in der Inbetriebnahme aufwendiger.
„Noch vor fünf Jahren lohnte es sich nicht, einen Pneumatikzylinder durch einen elektrischen Antrieb zu ersetzen, wenn man nur zwei Positionen braucht“, sagte Ernst Blumer, Vertriebsleiter Elektrische Linearmotoren bei LinMot. „Inzwischen sind aber die Energiepreise deutlich gestiegen und da rechnen sich elektrische Motoren schon bei schnellen Bewegungen und hohen Lastmassen.“ Ergebnis: Bei zwei Bewegungen, 15 kg Last und 30 Takten/min amortisieren sich die Mehrkosten für elektrische Linearmotoren bereits nach fünf Monaten. Dies zeige, so Blumer, dass bei Taktraten von 1 s der elektrische Antrieb besser sei, bei Taktraten von mehr als 10 s der pneumatische Antrieb.
Elektrische Motoren: Betriebskosten nicht isoliert betrachten und vergleichen
Dieser einfachen Rechnung hielt Roland Volk, Energieeffizienzberater bei Festo, eine andere dagegen: „Betrachten wir ein Drei-Achs-Portal mit einem Werkstückgewicht von 1 kg und einer Zyklusdauer von 10 s, so ist die rein elektrische Lösung ein Drittel teurer als die pneumatische.“ Setze man jetzt auf einen Technologiemix, bestehend aus pneumatischen und elektrischen Achsen, so hat man zwar etwas höhere Betriebskosten doch der Return on Investment weist auch noch nach zehn Jahren Betriebsdauer eine erhebliche Lücke zu Ungunsten der elektrischen Lösung auf.
Man dürfe, so Volk, nicht immer schwarz-weiß denken, sondern müsse auch manchmal mit dem Grau vorlieb nehmen. Wer in seiner Anwendung keine Druckfreiheit braucht, keine langen oder schnellen Bewegungen hat, und die Achsen nur von A nach B fahren, kann einen kostengünstigeren pneumatischen Antrieb einsetzen. Pneumatik und Elektrik stehen nicht in Konkurrenz, sondern ergänzen sich, so die Aussage des Spezialisten von Festo.
Doch dabei sind gewisse Randbedingungen zu beachten. Normalerweise geht 95 % der aufgewendeten elektrischen Energie für die Kompression der Luft als Wärme verloren. Deshalb sollten im Druckluftbereich Leckagen durch regelmäßige Wartung vermieden werden. Jede hörbare Leckage von 1 mm² verursacht jährliche Mehrkosten von etwa 400 €. Deshalb sollten die Anlagen bei Nichtnutzung vollständig abgeschaltet werden – z. B. an Wochenenden. Dies gilt besonders bei älteren und ausgedehnten Druckluftnetzen. Auch ein zu hohes Druckniveau kostet Geld, etwa 10 % mehr Energie pro 1 bar. Wärmerückgewinnung am Kompressor kann zwar ein Teil der Energiekosten zurückbringen, macht aber nur Sinn, wenn an anderer Stelle vergleichsweise niedrig temperiertes Warmwasser benötigt wird.
Hohe Betreiberkosten meist durch Überdimensionierung von Bauteilen
Das meiste Geld werde laut Volk durch Überdimensionierung vernichtet. So würden heute immer noch pneumatische Systeme größer als notwendig ausgelegt, besonders bei schnellen Bewegungsabläufen und höheren Lasten. Festo hat deshalb ein Berechnungstool ins Internet gestellt, mit dem man konkrete Anwendungen nachrechnen kann. „Im oben genannten Fall von LinMot konnten wir die Anwendung mit einem 25er-Zylinder statt eines 50er realisieren und sparen 75 % der Druckluft ein“, erklärte Volk.
Genau dies ist eine der Aufgaben des GMA-Fachausschusses 4.17 „Energie-Effizienz in Antrieben der Montage- und Handhabungstechnik“: eine nachvollziehbare Entscheidungsgrundlage für die Anlagenplanung zu erstellen. Es sollten die Anwendungen in ihrer Gesamtwirtschaftlichkeit betrachtet werden, besonders im Hinblick auf Flexibilität, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz.
Montage- und Handhabungstechnik: Energieeffizienz lässt Betriebskosten sinken
„Was wir brauchen, ist eine neutrale und überprüfbare Entscheidungsgrundlage“, sagte Jürgen Krebs, Gesellschafter der HMPtechnologie, die komplexe Montageanlagen sowie Sonderanlagen für die Handhabungs-, Montage- und Prüftechnik bedarfsgerecht plant.
Darüber hinaus sind für Krebs weitere Fragen offen: „Wie sieht es z. B. mit der Funktionssicherheit der Antriebe aus? Bisher spiegelt sich aber die Funktionssicherheit der Antriebe noch nicht in den Wirtschaftlichkeitsberechnungen nieder. Welche Flexibilität hat man, wenn die Stückzahlen in Richtung Losgröße 1 geht?“ Hier will der Fachausschuss wirtschaftlich validierbare Werte über einen längeren Zeitraum liefern. Bei immer kürzeren Produktlebenszyklen und daraus resultierenden Anlagenplanungszeiten müsse man wissen, ob die Lösung auch die nötige Flexibilität für Änderungen in letzter Minute gibt, so Krebs. Die energieeffizienteste und gleichzeitig flexibelste und zuverlässigste Kundenlösung gibt es nur im technologieneutralen Vergleich. Dabei gilt, dass stets die Handhabungsaufgabe des Kunden die jeweilige Lösung bestimmt.
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